Синхронизация в сетях нового поколения: три пути решения проблем
Основная проблема в транспортных сетях нового поколения - то, что технология Ethernet изначально проектировалась для локальных вычислительных сетей и никогда не была предназначена для передачи сигналов синхронизации. В сетях с коммутацией каналов в последние десятилетия как транспортная среда доминирует технология синхронной цифровой иерархии (SDH), в ее основу заложена передача синхросигналов. Но даже эта надежная и хорошо себя зарекомендовавшая технология не отвечает требованиям современных приложений.
В целом принципы синхронизации призваны обеспечить работу цифровых систем сети в единых временных интервалах. Сбои в синхронизации всегда приводили к снижению качества предоставляемых услуг. В статье рассматриваются три метода организации передачи синхронизации в пакетных сетях нового поколения: частотная, фазовая и временная. Данная тема актуальна, так как на основе транспортной пакетной сети появляется все больше сервисов, критичных к строгим нормам по синхронизации.
Сравнение трех видов синхронизации
Частотная подразумевает, что у всех элементов сети значащие моменты соответствуют одной и той же средней частоте. В развитие этой идеи можно предположить, что частоты всех сетевых элементов равны в точности до фазы. Это называется фазовой синхронизацией, и добиться ее в жизни обычно сложнее, чем представить. И следующее, еще более строгое требование – привязать фазу к какой-то временной шкале. На практике обычно используют шкалу всемирного координированного времени (UTC), не привязанную к вращению Земли, а соотносящую с атомным стандартом времени.
Требование по синхронизации в современных сетях
До недавнего времени потребности в синхронизации по фазе и времени в сетях связи не было, поэтому транспортные сети SDH проектировались только с требованием передачи частоты. Строгих требований, изложенных в рекомендациях G.810, G.811, G.812, G.813, хватало на реализацию любых существующих на тот момент сервисов. Широкое распространение сети CDMA стандарта мобильных сетей, в котором, кроме частотного мультиплексирования (FDD), используется и временное (TDD), а так же специальные способы кодирования, открыли пути широкого использования и фазово-временной синхронизации на сетях электросвязи.
Следует отметить, что передача синхросигнала любого типа осуществляется с некоторой точностью, которая должна подчиняться требованиям технологий новых сервисов или нормативным документам. Таким образом, требования к синхронизации определяются в итоге приложениями и сервисами, которые предоставляются операторами связи, но транспортная сеть должна иметь возможность удовлетворить все потребности и соответствовать даже очень строгим нормам. В таблице представлены разные сетевые элементы, используемые для разных приложений, и соответствующие требования по синхронизации.
Нормы синхронизации для современных сетевых технологий
Сетевой элемент Нормы по частотной синхронизации Нормы по фазовой синхронизации
cdma2000 BS 5*e-8 3 мкс
GSM 5*e-8 -
UMTS-TDD BS 5*e-8 1,25 мкс
UMTS-FDD BS 5*e-8 -
WiMax BS 5*e-8 1 мкс*
LTE BS 5*e-8** 1 мкс**
APON/GPON OLT 1*e-11 -
SDH/SONET, ATM 1*e-11 -
* - для WiMax TDD базовых станций - обязательное требование, а FDD - опциональное.
** - некоторые сервисы, предоставляемые в сети LTE, требуют более строгих норм - как по частотной, так и по фазовой синхронизации.
Как видно из таблицы, нормы по синхронизации достаточно строгие. На рисунке ниже показаны типовые примеры: имеется транспортная сеть мобильного оператора, сеть доступа PON или оператор кабельного телевидения. Встает вопрос о распространении синхронизации через транспортную среду Ethernet.
Пример типовой сети оператора
Сегодня можно сказать о трех способах решения этой проблемы - с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS), стандарта Sync Ethernet или протокола PTP. Хотя каждому методу может быть посвящена отдельная статья, вкратце остановимся на них и рассмотрим каждый метод на типовом примере bakhaul сети мобильного оператора. Другие примеры идентичны и не нуждаются в дополнительных пояснениях.
Использование глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS)
По сути, используя GNSS, мы строим распределенную систему тактовой сетевой синхронизации. Каждая базовая станция и контроллеры базовых стаций имеют приемник GNSS. Из передаваемой информации о времени приемник может получить синхросигнал, который удовлетворяет всем самым строгим требованиям, причем как для частотной, так и для фазово-временной синхронизации. К преимуществам метода можно отнести и то, что метод достаточно старый, и, следовательно, на рынке представлены различные модели приемников разных производителей. Помимо приемников, работающих с американской системой определения местоположения GPS, сейчас все большее распространение получают устройства, поддерживающие и ГЛОНАСС.
Типовая схема синхронизации с использованием GNSS
В ближайшем будущем появятся также китайская и европейская системы. Поэтому метод GNSS не будет сильно зависеть от политической обстановки или военных конфликтов (что важно, т.к. все системы используются для военных нужд). К недостаткам можно отнести обязательное использование антенны и то, что система не может работать в закрытых помещениях. Кроме того, резервирование может быть осуществлено только установкой двух приемников на каждую базовую станцию, что удорожает решение.
Использование стандарта Sync Ethernet
Изначально технология Ethernet разрабатывалась исключительно для использования в локальных сетях. Методы линейного кодирования информации на физическом уровне выбирались в соответствии с задачами, которые не предполагали передавать синхросигнал. В сетях SDH изначально использовались линейные коды NRZ, которые приспособлены для передачи синхронизации на физическом уровне канала связи. При создании технологии Sync Ethernet физический уровень и методы кодирования были заимствованы у технологии SDH, а второго (канального) уровня изменения практически не коснулись. Структура кадров осталась неизменной, за исключением SSM-байта статуса синхронизации. Его значения также были заимствованы в технологии SDH.
Принцип передачи синхронизации по протоколу Sync Ethernet
К преимуществам технологии Sync Ethernet можно отнести использование SDH-структуры физического уровня, а вместе с этим - огромный и бесценный опыт проектирования и построения сетей тактовой сетевой синхронизации. Идентичность методов сохранила актуальность старых рекомендаций G.803, G.804, G.811, G.812 и G.813 в новой технологии. Дорогие устройства - первичные эталонные генераторы (ПЭГ), вторичные задающие генераторы (ВЗГ) - могут быть задействованы также и в новой транспортной сети, построенной на стандарте Sync Ethernet.
Типовая схема синхронизации с использованием технологии Sync Ethernet
К недостаткам можно отнести то, что во всей сети передачи каждое устройство должно поддерживать новый стандарт, и, если в линии остается устройство, которое не поддерживает Sync Ethernet, то все устройства, которые стоят за этим узлом, не могут работать в синхронном режиме. Следовательно, требуются большие материальные затраты на модернизацию всей сети. Так же к недостаткам следует отнести, что данный метод поддерживает передачу только частотной синхронизации.
Использование протокола PTP (IEEE1588v2)
И последний способ передачи синхронизации, который в последнее время становится все более популярным, - это протокол Precise Time Protocol (PTP). Он описан в рекомендации IEEE 1588. В 2008 году вышла вторая версия этого документа, которая описывает использование протокола в телекоммуникационных сетях. Precise Time Protocol достаточно молодой, но сама технология передачи времени была заимствована у протокола Network Time Portocol (NTP). Протокол NTP в своей последней версии не дает точность, которая необходима для современных приложений, и поэтому он остался хорошим средством для временной синхронизации, которое широко используется в синхронизации серверов, распределенных баз данных и т.д. Но в построении сети тактовой сетевой синхронизации подходит логическое продолжение протокола NTP - это протокол PTP. Сетевыми элементами, которые участвуют во взаимодействии по протоколу PTP, являются следующие устройства: PTP Grand Master и PTP Slave. Обычно Grand Master берет синхронизацию от GNSS приемника и, используя эту информацию, обменивается пакетами с Slave устройством и постоянно корректирует временные расхождения между Grand Master и Slave устройствами. Чем активнее будет этот обмен, тем точность корректировки будет выше. Минусом такого активного обмена является увеличение полосы пропускания, которая выделяется для протокола PTP. Самой главной проблемой в расчете расхождения временных интервалов является то, что между устройствами Grand Master и Slave могут стоять "классические" маршрутизаторы 3 уровня. Термин "классические" в данном случае употреблен для того, чтобы подчеркнуть, что данные устройства ничего не понимают в протоколе PTP 5 уровня.
Задержками в буферах таких маршрутизаторов управлять достаточно сложно, и они носят случайный характер. Для того чтобы осуществлять контроль над этими случайными ошибками, а также чтобы расчет расхождения времени между Grand Master и Slave был точнее, в протоколе PTP был введен специальный параметр - метка времени (Time Stamp). Эта метка указывает на время прохождения пакета через маршрутизатор. Если на всем пути от Grand Master до Slave маршрутизаторы будут обладать функциональностью PTP и выставлять метку времени, то случайную ошибку, связанную с прохождением пакетов PTP через IP сеть, можно будет свести к минимуму. Функциональность PTP на маршрутизаторах не является обязательной, но очень рекомендуется при использовании протокола PTP. Следует отметить, что большинство производителей маршрутизаторов включают эту функциональность в свои устройства. Пример построения схемы синхронизации для мобильного оператора представлен на рисунке ниже. Преимуществом PTP является то, что протокол ориентирован для передачи всех трех видов синхронизации: частотной, фазовой и временной. Основной недостаток протокола - это зависимость от нагрузки. При перегрузках на IP сети, которыми сложно управлять, очень сложно гарантировать строгое выполнение норм передачи синхронизации по сети.
Пример построения сети синхронизации на протоколе PTP
Сравнение методов передачи синхронизации в пакетных сетях нового поколения
Технология - GNSS; Преимущества - Предоставление частотной, фазовой и временной синхронизации. Не зависит от нагрузки сети; Недостатки - Обязательная установка антенны. Невозможность использования в закрытых помещениях. Возможные помехи от других радиоустройств. Резервирование предоставляется только установкой второго приемника GNSS.
Технология - Sync Ethernet; Преимущества - Не зависит от нагрузки сети. Схожесть с сетью SDH; Недостатки - Предоставляет только частотную синхронизацию. Необходима поддержка Sync Ethernet всеми элементами сети.
Технология - PTP; Преимущества - Предоставление частотной, фазовой и временной синхронизации; Недостатки - Зависит от загрузки сети.
В статье были рассмотрены три метода организации передачи синхронизации в пакетных сетях нового поколения. Данная тема актуальна, т.к. на основе транспортной пакетной сети появляется все большее количество сервисов, критичных к строгим нормам по синхронизации. Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, которые приведены в таблице. Чтобы определить правильный подход, рекомендуется учитывать много критериев, которые специфичны для различных сетей.
Михаил Вексельман
Источник: журнал MEDIASAT : цифровое ТВ, радиовещание и телекоммуникации
blog comments powered by Disqus
